3D-печать бетоном: Симулятор для прочности и дизайна

Современные технологии 3D-печати бетоном позволяют значительно сократить время и затраты на строительство, исключая необходимость в традиционной опалубке. Однако большинство существующих систем используют экструзионные методы, при которых материал укладывается слой за слоем непосредственно из сопла. Это создает серьезные ограничения при печати вокруг арматурных стержней (арматуры), повышая риск столкновения и, как следствие, снижая как гибкость дизайна, так и прочность конструкций.

Новый симулятор, разработанный исследователями из Лаборатории вычислительной инженерии и робототехники (CERLAB) Университета Карнеги-Меллона под руководством Кенджи Шимады, предлагает решение этой проблемы. Система основана на технологии распылительной 3D-печати бетоном, которая открывает новые возможности для создания сложных архитектурных форм.

«Распылительная 3D-печать бетоном – это новый процесс, сопряженный со сложными физическими явлениями», — поясняет Шимада, профессор машиностроения. «В этом методе модифицированная торкрет-смесь распыляется из сопла для формирования конструкции на поверхности, даже вокруг арматуры».

Возможность свободной печати вокруг арматуры особенно важна для регионов, подверженных землетрясениям, таких как Япония и Калифорния, где повышенная структурная прочность имеет первостепенное значение. «Чтобы сделать эту технологию жизнеспособной, мы должны точно предсказывать, как бетон будет распыляться и высыхать, формируя конечную структуру», — добавляет Шимада. «Именно поэтому мы разработали симулятор для распылительной 3D-печати бетоном».

Новый симулятор способен моделировать вязкоупругие свойства торкрет-смесей, включая каплеобразование, отскок частиц, растекание и время затвердевания. Это позволяет подрядчикам оценивать различные траектории печати на основе CAD-проекта, определяя, насколько целесообразно применение распылительной 3D-печати для конкретной конструкции.

Команда провела полевые испытания в Токио, Япония, где компания Shimizu Corporation уже использует роботов для распылительной 3D-печати. Первый этап тестирования был направлен на оценку точности предсказания формы симулятором в зависимости от скорости движения сопла. Симулятор с точностью 90,75% смог предсказать высоту распыленного бетона. Второй тест продемонстрировал, что симулятор предсказывает печать вокруг арматуры с точностью 92,3% по ширине и 97,9% по толщине.

По словам Соджи Ямакавы, научного сотрудника лаборатории Шимады и ведущего автора исследовательской работы, опубликованной в IEEE Robotics and Automation Letters, подобные симуляции обычно занимают от нескольких часов до нескольких дней. «Сделав смелые предположения, нам удалось успешно упростить чрезвычайно сложный физический симулятор, преобразовав его в комбинацию эффективных алгоритмов и структур данных, при этом получив высокореалистичные результаты», — отмечает Ямакава.

В дальнейшем планируется повысить точность модели за счет учета таких экологических параметров, как влажность, оптимизировать производительность и добавить симуляцию штукатурки для получения более гладкой финишной поверхности. «Существует еще так много приложений и технологий, которые мы можем разработать с помощью робототехники», — говорит Кишалии Васкес-Сантьяго, соавтор статьи и аспирантка машиностроения, возглавляющая исследовательскую группу Mobile Manipulators в CERLAB. «Даже в 3D-печати бетоном мы работаем с совершенно новым типом применения и подхода, который имеет множество преимуществ, но оставляет огромное пространство для дальнейшего развития».